渭河盆地南緣花崗巖中生氦元素（U、Th）賦存狀態(tài)及制約因素研究
——以華山復(fù)式巖體為例

張喬，周俊林,*，李玉宏，陳高潮，魏建設(shè)，郭 望

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，自然資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西北地質(zhì)調(diào)查科技創(chuàng)新中心，陜西 西安 710054）

氦氣是一種關(guān)系國家安全和高新技術(shù)發(fā)展的緊缺性戰(zhàn)略資源，其廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、制冷、醫(yī)療、超導(dǎo)體、深海潛水、高精度焊接、半導(dǎo)體、科研和管道檢漏等領(lǐng)域（Nuttall et al.，2012）。大氣、地殼、地幔是氦氣的3大來源（Ballentine et al.，2000）。其中，地殼來源的氦氣是由巖石、礦物中的U、Th元素發(fā)生放射性衰變產(chǎn)生的。對全球已被工業(yè)利用的富氮天然氣氣藏的調(diào)研表明，氣藏之下均發(fā)育有花崗巖基巖，證實花崗巖與氦氣存在密切的聯(lián)系（Ballentine et al.，2002；李爭等，2009；Zhang et al.，2015；Danabalan et al.，2016）。

花崗巖作為重要的氦源巖，學(xué)者們對氦氣與花崗巖相關(guān)的研究已經(jīng)取得了諸多認(rèn)識。在賦存位置方面，氦氣被證實主要賦存在花崗巖中的礦物晶格中（Cherniak et al.，2009；李玉宏等，2018；Zhang et al.，2020），少量分布在礦物顆粒間（Hussain et al.，1997）、礦物的包裹體中（Zhu et al.，2013；董敏等，2018）。在釋放機理方面，實驗證明巖漿結(jié)晶以后產(chǎn)生的氦只有不到20%保存在花崗巖中，大部分（>80%）發(fā)生了運移或散失（張文，2019）。在賦存狀態(tài)方面，Basham等（1982）和Martel等（1990）通過計算得出花崗巖≈90%的U 及產(chǎn)生的氦儲存在副礦物瀝青鈾礦之中，76%～91% 的Th 及產(chǎn)生的氦儲存在副礦物獨居石之中，除了這2種礦物以外，還有磷釔礦、釷石、磷灰石、鋯石（李玉宏等，2018；張文，2019；Zhang et al.，2020）。盡管對花崗巖中生氦元素U、Th的賦存狀態(tài)方面取得了一定的認(rèn)識，但鑒于花崗巖成因及成分的復(fù)雜性，花崗巖作為氦源巖，對其形成時巖石中U、Th元素的賦存狀態(tài)與相應(yīng)的制約因素方面缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識。該研究將對于有效氦源巖的評價、氦氣勘探等工作具有重要的支撐作用。

渭河盆地在構(gòu)造位置上位于秦嶺造山帶與鄂爾多斯盆地之間（圖1a）。近年來，對渭河盆地地?zé)峋邪樯鷼獾难芯勘砻?，伴生氣中氦氣豐度均高于工業(yè)利用標(biāo)準(zhǔn)（0.1%）（薛華鋒等，2004；盧進才等，2005；劉建朝等，2006；韓偉等，2014；李玉宏等，2018），表明盆地具有巨大的氦資源潛力。同時，對氦同位素研究表明，盆地地?zé)峋邪樯庵饕獮闅ぴ闯梢颍ú裣绕降龋?007；李玉宏等，2011），不同于中國東部富氦盆地中幔源氦的特征（戴春森等，1995；徐永昌等，1996；張曉寶等，2003）。結(jié)合盆地地質(zhì)背景及重磁資料，學(xué)者們認(rèn)為渭河盆地內(nèi)殼源氦來源于盆地南緣大面積分布的花崗質(zhì)巖石的放射性衰變，即盆地南緣的花崗巖為重要氦源巖（劉建朝等，2009；李玉宏等，2011，2017；張福禮等，2012；韓偉等，2014）。此外，對渭河盆地南緣花崗巖中石英脈的流體包裹體研究揭示了盆地內(nèi)2期氦氣成藏，主要成藏期為中新世—上新世（董敏等，2017）。因此，這些花崗巖為探討巖石中生氦元素（U、Th）的賦存狀態(tài)及制約因素等問題提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

部分學(xué)者對盆地南緣部分花崗巖和少量相對高U、Th（15～55×10-6、29～42×10-6）的巖體樣品進行了U、Th含量及賦存狀態(tài)的初步研究（Zhang et al.，2020）。然而，這些花崗巖大多為復(fù)式巖體， U、Th含量變化較大（李玉宏等，2018），對大多數(shù)U、Th含量相對低（<10×10-6、<30×10-6）的花崗巖缺乏系統(tǒng)的U、Th含量、賦存狀態(tài)及相應(yīng)的制約因素的對比研究。

筆者選取代表性的華山復(fù)式巖體作為研究對象，運用副礦物分析及電子探針方法，結(jié)合放射性研究，對其進行巖性及其中富U、Th礦物特征進行精確分析，查明巖石中U、Th含量、賦存狀態(tài)，探討這些巖石中U、Th含量的制約因素，并結(jié)合盆地南緣花崗巖已有資料，分析U、Th含量時空變化規(guī)律，為盆地內(nèi)有效氦源巖評價標(biāo)準(zhǔn)的建立、盆地氦氣遠(yuǎn)景資源量的預(yù)測提供啟示。

1 巖體地質(zhì)特征

區(qū)域調(diào)查結(jié)果顯示，沿渭河盆地南緣自西向東分布有寶雞巖體、太白巖體、翠華山巖體、牧護關(guān)巖體、藍(lán)田巖體、老牛山巖體和華山巖體，均為復(fù)式巖體，呈巖基狀產(chǎn)出（圖1a）。已發(fā)表的研究資料表明，寶雞巖體、翠華山巖體形成于印支期，藍(lán)田巖體和牧護關(guān)巖體則形成于燕山期，太白巖體、老牛山巖體和華山巖體則是由燕山期和印支期2期侵入體構(gòu)成的復(fù)式巖體（張宗清等，2006；郭波等，2009；齊秋菊等，2012；劉銳等，2014；張興康等，2015；Xue et al.，2018）。

華山復(fù)式巖體位于渭河盆地南緣最東部，呈巖基狀侵入到太華群基底之中，呈東西向展布，面積為130 km2（張國偉等，2001）。前人研究表明，華山復(fù)式巖體可以劃分為3個侵入體：①大夫峪巖體巖性以細(xì)中粒黑云母二長花崗巖為主。②翁峪巖體巖性以細(xì)粒角閃黑云二長花崗巖、葉理化中細(xì)粒角閃二長花崗巖為主。③華山峪巖體巖性以中細(xì)粒含斑黑云母二長花崗巖、中粗粒含斑黑云母二長花崗巖為主（張興康等，2015）。也有學(xué)者將其分為3個相帶，以二長花崗巖和花崗閃長巖為主的內(nèi)部相、以細(xì)?；◢忛W長巖和細(xì)粒含斑二長花崗巖為主的邊緣相和以二長花崗巖為主的頂部混染相帶（郭波等，2016）。

圖1 （a）渭河盆地南緣花崗巖分布與富氦井分布圖（底圖據(jù)李玉宏等，2018）和（b）華山復(fù)式巖體地質(zhì)簡圖（底圖據(jù)張興康等，2015）Fig.1 （a） Distribution of granites and helium-enriched wells and （b） Geological sketch of Huashan composite pluton

年代學(xué)研究表明，華山巖體由印支期（205 Ma）和燕山期2期（132～143 Ma）侵入體組成（Hu et al.，2012；張興康等，2015；郭波等，2016）。因此，華山巖體是一個多期侵入、多相帶的復(fù)式巖體。

筆者對華山復(fù)式巖體中西側(cè)的大夫峪巖體、翁峪巖體進行了詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查。通過野外觀察和室內(nèi)研究，可以將華山巖體西側(cè)分為印支期（翁峪）和燕山期（大夫峪）2期侵入體。

翁峪巖體：巖性主要為灰白色似斑狀角閃二長花崗巖，分為南部中細(xì)粒和北部細(xì)粒2個巖相帶，侵位于208～207 Ma（未發(fā)表數(shù)據(jù)）；主要礦物組合為石英、微斜長石、條紋長石、斜長石、角閃石，及少量榍石、磷灰石（圖2a、圖2b、圖2d、圖2e）。

大夫峪巖體：巖性由南部的灰白色中粒-中粗粒黑云石英二長巖-二長花崗巖和北部的灰白色細(xì)粒-中細(xì)粒黑云二長花崗巖組成，分別形成于128 Ma、124 Ma（未發(fā)表數(shù)據(jù)）；主要礦物組成為石英、微斜長石、條紋長石、斜長石及少量黑云母；還包括褐簾石、榍石、磷灰石等副礦物（圖2c、圖2f、圖2g、圖2h）。前人在大夫峪路線上，觀察到南部的中粗粒黑云二長花崗巖侵入到北部的中細(xì)粒二長花崗巖之中（圖2i）（張興康等，2015），表明細(xì)粒黑云二長花崗巖形成略早于中粗粒黑云二長花崗巖。除此之外，在翁峪巖體中普遍發(fā)育暗色包體（圖2a）。

2 采樣及分析方法

本次研究共采集華山復(fù)式巖體2期侵入體不同巖相代表性樣品共22件，具體采樣位置見圖1b。分別對這些樣品進行了電子探針、富Th、U副礦物及放射性分析。同時，在華山和老牛山復(fù)式巖體外圍也采集了太華群基底片麻巖樣品12件，并進行了放射性分析，以便對比研究。

a～b、d～e. 印支期；c、f、g～h. 燕山期；i. 巖體與太華群片麻巖侵入關(guān)系；b、d、h. 正交偏光/單偏光×25；f. 正交偏光/單偏光×12.5；Q.石英；Pl.斜長石；Per.條紋長石；Mic.微斜長石；Or.正長石；Amp.角閃石；Bi.黑云母；Mus.白云母；Tit.榍石；Ap.磷灰石；Aln.褐簾石圖2 華山復(fù)式巖體不同期次巖相圖Fig.2 Lithologies of multi-stage plutons in Huashan complex

巖石樣品在河北區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院磨制成探針片，隨機進行背散色圖像觀察和能譜分析，確定富U、Th礦物組合，以便電子探針分析。電子探針（EMPA）分析在中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心自然資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室進行。電子探針儀器型號為JEOL JXA-8230，成分定量分析所選用的測試電壓和電流為15 Kv、10 nA，束斑為1 μm，標(biāo)樣為鈦鐵礦（Ti Kα）、鋯石（Zr Lα）、晶質(zhì)鈾礦（U Mα）、方釷石（Th Mα）、磷灰石（Ca Kα）、鉻鉛礦（Pb Mα）、鈮酸鋰（Nb Lα）、石英（Si Kα）、硬玉（Al Kα）。元素峰值檢測時間為10 s，上下背景各為5 s，校正方法為ZAF。

富Th、U副礦物分離和挑選在河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院進行，分析前將2 kg左右樣品破碎至30～100目，經(jīng)雙氧水和稀鹽酸處理，再經(jīng)重液粗選、精淘分離出常出現(xiàn)的富Th、U副礦物（獨居石、磷灰石、榍石、鋯石、釷石、晶質(zhì)鈾礦、褐簾石等），結(jié)合雙目鏡鑒定分離出這些副礦物，采用高精度天平完成計量稱重。假設(shè)上述副礦物總重量對應(yīng)100%，將每種副礦物重新?lián)Q算，取整數(shù)。

放射性分析在核工業(yè)二○三研究所進行，樣品經(jīng)硝酸、氫氟酸、高氯酸分解和加熱制成溶液，使用以氮分子激光器為光源的激光鈾分析儀，測定溶液中熒光強度，計算得出樣品中U含量。樣品經(jīng)分解、過濾、沉淀和萃取等一系列處理過程，最后在鹽酸中使用分光光度法測定Th含量。U、Th的測定方法及詳細(xì)步驟分別參考國家核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 550—2000、EJ/T 814—94。

3 U、Th元素的賦存狀態(tài)及其含量

3.1 U、Th元素的賦存狀態(tài)

背散色圖像和能譜分析顯示，在華山復(fù)式巖體中，放射性元素U、Th主要分布在巖石的副礦物鋯石、榍石、磷灰石、褐簾石中，其次為釷石、Nb-Ta-U礦物，這些副礦物多呈半自形-自形產(chǎn)出，主要存在于巖石主要礦物（石英、長石、黑云母）中及顆粒間，且與磁鐵礦伴生（圖3，19WY-10），部分副礦物之間也可見相互包裹關(guān)系，表明這些富U、Th副礦物主要形成于巖漿結(jié)晶稍早時期（圖3）。通過定性對比華山復(fù)式巖體中印支期和燕山期侵入體的富U、Th礦物組合，發(fā)現(xiàn)鋯石、榍石、磷灰石在復(fù)式巖體2期侵入體中廣泛分布；不同的是，印支期侵入體以缺失褐簾石、出現(xiàn)釷石為特征，而燕山期侵入體則以大量的褐簾石及少量鈾獨立礦物（Nb-Ta-U礦物）產(chǎn)出為特征（圖3）。富U、Th礦物組合特征明顯不同于華山巖體南側(cè)的華陽川鈾礦及華南花崗巖型鈾礦中以晶質(zhì)鈾礦為主的礦物組合特征。以華陽川鈾礦為例，在主要富礦巖石脈狀碳酸巖中，鈾主要以晶質(zhì)鈾礦和鈮鈦鈾礦形式伴生產(chǎn)出，主要賦存在燒綠石中（高龍剛等，2019；Zheng et al.，2020）。

筆者對華山復(fù)式巖體中富U、Th副礦物進行了電子探針分析。其中，燕山期巖石樣品中ThO2含量最高的是一個Nb-Ta-U礦物，達(dá)到1.1%，其次是褐簾石和鋯石，ThO2平均含量分別為0.66%、0.12%，榍石和磷灰石中ThO2含量相對低，平均含量均為0.04%；在燕山期巖石樣品中UO2含量，除了在一個Nb-Ta-U礦物中達(dá)到24.3%以外，在其余副礦物中均相對低（鋯石0.3%，褐簾石、榍石、磷灰石0.03%～0.04%）。而在印支期巖石樣品中ThO2含量最高的是釷石，平均高達(dá)68.8%；其次為少量褐簾石，ThO2平均含量為1.32%；ThO2在鋯石、磷灰石、榍石中平均含量為0.29%、0.02%、0.05%，在一個鈮鈦鈾礦中的含量為0.1%；UO2含量較高的副礦物為鈮鈦鈾礦（29.9%）、釷石（平均12.2%），在鋯石、磷灰石、榍石、褐簾石中的平均含量依次為0.57%、0.03%、0.05%、0.06%。

副礦物組合特征常用于沉積巖物源分析。在定性歸納華山復(fù)式巖體不同期次、巖性帶中U、Th賦存礦物組合特征的基礎(chǔ)上，對巖石中這些副礦物組合進行了定量分析（表1）。印支期巖體各期侵入體中富U、Th礦物組成為榍石（58%～92%）、磷灰石（3%～21%）、鋯石（4%～22%）、褐簾石（0%～3%）；而燕山期巖體各期次侵入體富U、Th礦物組成為榍石（41%～65%）、磷灰石（5%～11%）、鋯石（2%～4%）、褐簾石（28%～46%）（圖4）。通過對比發(fā)現(xiàn)，在富U、Th副礦物組成上，印支期巖體明顯富集榍石和鋯石、缺少褐簾石，而燕山期巖體更富集褐簾石，這與巖相學(xué)觀察及電子探針測試結(jié)果一致。結(jié)合前述燕山期和印支期巖體的巖相分帶，得出同期巖體不同相帶之間富U、Th礦物組合基本無差異。值得注意的是，背散色圖像下見到的鈾釷獨立礦物（釷石、Nb-Ta-U礦物）（圖3），這些礦物在副礦物定量分析中并未篩選出來，推測是由于這些鈾釷獨立礦物粒度過?。▓D3中的釷石粒度約為40 μm），遠(yuǎn)低于礦物挑選的最大目數(shù)（0.15 mm），或含量低（圖3中的一顆Nb-Ta-U礦物、鈮鈦鈾礦）未被人工挑選出來。

圖3 燕山期及印支期巖石樣品SEM背散色照片及礦物能譜分析圖Fig.3 BSE images and spectrum analysis of SEM from samples in the Yanshanian and Indonian pluton

3.2 放射性元素U、Th含量

借助激光熒光法和分光光度法，對華山復(fù)式巖體及基底太華群樣品中的放射性U、Th元素豐度進行了精確地測定（表2）。在華山復(fù)式巖體中，燕山期巖體的U元素含量為1.98×10-6～10.2×10-6，除2個樣品（19DF-11、19DF-4）U含量分別為8.87×10-6、10.2×10-6以外，大部分樣品中U含量集中為1.9×10-6～5.72×10-6，平均值為3.0×10-6，稍高于平均上地殼中U含量（2.7×10-6）（Rudnick et al. 2003）；燕山期巖體中Th豐度為9.18×10-6～14.6×10-6，平均值為11.1×10-6，稍高于平均上地殼的Th含量（10.5×10-6）（Rudnick et al. 2003）。而印支期巖體的U含量為1.77×10-6～12.8×10-6，除一個樣品19WY-1的U含量（12.8×10-6）相對高以外，絕大多數(shù)樣品U含量為1.77×10-6～4.22×10-6，平均值為2.83×10-6；印支期巖體中Th含量則變化為10.46×10-6～33.55×10-6，平均值為19.2×10-6。相比之下，燕山期和印支期巖體具有近似的U含量，而印支期巖體比燕山期巖體明顯富集Th。而在巖體外圍的太華群基底片巖和片麻巖中，U含量為0.26×10-6～3.98×10-6，Th含量為2.27×10-6～18.6×10-6，Th含量變化很大，但總體U、Th含量均低于華山復(fù)式巖體的對應(yīng)值。

表1 華山復(fù)式巖體富U、Th副礦物分析結(jié)果表Tab.1 Analyzed results for U- and Th-enriched accessory minerals in Huashan complex

4 華山復(fù)式巖體中U、Th含量的制約因素

研究表明，從基性巖—中性巖—酸性巖，巖體中的U、Th含量具有升高的趨勢（Belousova et al.，2002）。由于U、Th為不相容元素，它們在巖漿演化過程中傾向于富集在熔體之中，因而作為花崗巖主要源區(qū)的大陸地殼，其U、Th含量也存在差異。其中，上地殼的U、Th含量分別為2.7×10-6、10.5×10-6，中地殼U、Th含量為1.3×10-6、6.5 ×10-6（Rudnick et al.，2003），下地殼U、Th含量為0.86×10-6、5.23×10-6（Gao et al.，1998）。花崗巖中副礦物作為U、Th元素的載體，其形成及含量差異取決于巖漿成分及巖石冷凝時的物理化學(xué)條件。同時，在U、Th元素進入礦物時分配系數(shù)也受巖漿成分、物理化學(xué)條件（溫度、壓力、氧逸度等）的影響（Nash et al.，1985；Green，1994；Luo et al.，2009）。因此，巖漿源區(qū)和巖漿演化制約了花崗巖中U、Th含量。此外，由于U存在2種價態(tài)，其具有很強的流體活動性，在后期熱液蝕變過程中U也會發(fā)生遷移（Jiang，2000）。

4.1 副礦物比重及成分因素

華山復(fù)式巖體呈巖基產(chǎn)出，巖相帶發(fā)育完全，雖被細(xì)晶巖、偉晶巖脈穿切，總體成分并未受后期熱液的影響，排除熱液蝕變對巖體中U、Th含量的影響。華山復(fù)式巖體中富U、Th礦物或礦物組合相對重量百分比與對應(yīng)樣品中放射性元素U、Th含量并無正相關(guān)關(guān)系（表1），這表明放射性元素含量不受巖石中這些礦物的重量或相對重量百分比制約。通過電子探針數(shù)據(jù)獲得巖石中ThO2、UO2平均含量，結(jié)合前述富U、Th副礦物重量，筆者計算出華山復(fù)式巖體燕山期和印支期侵入體中副礦物的平均ThO2、UO2含量。由于樣品中磷灰石含量低，且磷灰石中ThO2、UO2含量相對低，故其對全巖U、Th含量貢獻可以忽略。燕山期侵入體中全巖U含量與鋯石和褐簾石的UO2的平均含量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖5）；全巖Th含量則與鋯石的UO2平均含量呈正相關(guān)關(guān)系，其他并無相關(guān)關(guān)系。印支期侵入體中全巖Th含量與鋯石和榍石中ThO2平均含量呈正比（圖5）。因此，筆者認(rèn)為燕山期侵入體中U含量主要受鋯石和褐簾石聯(lián)合制約，Th含量主要受制于鋯石；而在印支期侵入體中Th含量主要受鋯石和榍石聯(lián)合制約，U含量基本保持不變。值得注意的是，在印支期侵入體樣品中發(fā)現(xiàn)了不少釷石顆粒，盡管副礦物定量分析中未挑選出釷石，其重量不定，但其作為釷鈾獨立礦物具有極高的U、Th含量（ThO2平均為68.8%、UO2為12.2%），明顯高于其他U、Th副礦物的對應(yīng)值。所以，筆者推測釷石也可能是印支期侵入體中Th、U含量的重要制約因子。前人研究表明，華山復(fù)式巖體中燕山期侵入體是基底太華群部分熔融形成的，而印支期侵入體的形成則還需要少量幔源巖漿加入（Hu et al.，2012）。這與野外觀察到印支期侵入體中的大量暗色包體一致。因而，幔源巖漿帶來的高熱量，即溫度可能是導(dǎo)致印支期在侵入體中副礦物組合及其U、Th含量不同于燕山期侵入體的主要影響因素。

圖4 華山復(fù)式巖體不同期次代表性的副礦物比例分布餅圖（未挑選出鈾釷獨立礦物）Fig.4 Circle charts ofrepresentative accessory minerals from two-stage plutons in Huashan composite pluton with none of Th-U independent minerals in handpick

4.2 源區(qū)成分及巖漿演化因素

華山復(fù)式巖體中U、Th含量除了直接受控于副礦物以外，制約它的根本因素可能包括源區(qū)成分及部分熔融程度、結(jié)晶分異、殼?；旌系冗^程。在華山復(fù)式巖體中，其巖石樣品中SiO2含量（未發(fā)表數(shù)據(jù)）與Th、U含量亦無明顯相關(guān)關(guān)系（圖6a、圖6b），表明巖漿結(jié)晶分異過程對同一期次侵入體中Th、U元素?zé)o明顯影響。已有的研究表明，華山復(fù)式巖體中燕山期大夫峪巖體和翁峪巖體源區(qū)主要由古老基底下地殼（太華群）部分熔融形成，并有幔源巖漿參與（Hu et al.，2012；張興康等，2015）。然而，華山復(fù)式巖體的U、Th含量明顯高于基底太華群的U、Th含量，那么具有更低的U、Th含量的幔源巖漿不可能作為華山復(fù)式巖體U、Th含量的制約因素（圖6c）。實驗?zāi)M研究表明，即使源巖的U含量很低，其低程度部分熔融（<5%）也可以使熔體的U以數(shù)十倍富集（Robb，2005；Kukkonen et al.，2009）。

表2 華山復(fù)式巖體樣品的放射性U、Th含量表Tab.2 U and Th contents in samples from Huashan complex

圖5 華山燕山期和印支期樣品全巖U、Th含量與副礦物（鋯石、榍石、褐簾石）中UO2、ThO2平均含量的雙變量圖解Fig.5 Diagrams for whole-rock U and Th contents vs average UO2, ThO2 contents in zircon, titanite and allanite from samples with Yanshanian and Indonian in Huashan complex

基底太華群是華山復(fù)式巖體的主要源區(qū)，其巖性主要包括TTG片麻巖、混合巖、花崗質(zhì)片麻巖及表殼巖（第五春榮等，2018）。在本次太華群不同巖石樣品放射性結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合小秦嶺地區(qū)太華群深成侵入體不同巖性、不同樣品全巖Th、U數(shù)據(jù)，得出太華群中Th、U含量總體偏低，主要集中于Th（0.66×10-6～17.8×10-6）、U（0.13×10-6～2.79×10-6）范圍內(nèi)，還有少量花崗質(zhì)片麻巖極富Th（29.46×10-6～93.2×10-6）（圖6d）。首先，筆者選取了小秦嶺地區(qū)太華群主要成分TTG片麻巖，以其平均成分作為端元，礦物組成為40%斜長石+20%角閃石+15%黑云母+15%石英+10%鉀長石（Jia et al.，2019；Wang et al.，2021）。簡單的批次熔融模擬結(jié)果顯示（圖6e），其平均成分經(jīng)10%部分熔融就可以基本形成華山巖體的REE成分（郭波等，2009及未發(fā)表地化數(shù)據(jù)）。其次，筆者選取了小秦嶺太華群中Th、U含量的2個端元值進行微量元素Th、U熔融模擬（圖6d），即片麻巖樣品（SH7103-8）、淺色體樣品（SH52-1），它們的年齡在2.5 Ga左右，2個樣品的全巖Th、 U含量分別為U：29.46×10-6、1.78×10-6，Th：0.79×10-6、0.13×10-6（Jia et al.，2019；Wang et al.，2021）。模擬結(jié)果顯示，以上述具有不同Th、U含量的太華群樣品為源區(qū)，其經(jīng)歷10%部分熔融也可以形成與華山巖體中放射性Th、U元素豐度類似的熔體成分（圖6f、圖6g）。此外，熔體中Th、U含量還與源區(qū)Th、U初始含量具有正相關(guān)關(guān)系，即源區(qū)（SH7103-8）Th、U含量越高，不論熔融程度如何變化，熔體中Th、U含量都相對高（圖6f、圖6g）。因此，筆者認(rèn)為太華群的成分及部分熔融程度是控制華山巖體U、Th含量的根本因素。

Th、U在斜長石、角閃石、黑云母、石英和鉀長石中的分配系數(shù)參考Nash et al.，1985和Luhr et al. ，1984；批次熔融模擬的公式參考Shaw et al.，1984圖6 （a）SiO2-Th、（b）SiO2-U、（c）Th-U雙變量圖解、（d）基底太華群Th和U含量、（e）小秦嶺太華群TTG片麻巖簡單批次熔融模擬、（f）、（g）Th、U元素的簡單批次熔融模擬圖Fig.6 （a）SiO2 vs Th, （b）SiO2 vs U, （c）Th vs U Diagrams; （d）Th and U contents in the Taihua complex; （e）Simple batch melting Modelling of TTG gneisses in Taihua complex, （f, g）Th and U

5 盆地南緣花崗巖中U、Th分布規(guī)律及啟示

渭河盆地南緣分布有巨量花崗巖基，自西向東為寶雞巖體、太白巖體、翠華山巖體、牧護關(guān)巖體、藍(lán)田巖體、老牛山巖體、華山巖體，均為復(fù)式巖體。近些年，中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心氦氣團隊對渭河盆地南緣花崗巖開展了大量盆地南緣花崗巖放射性研究（韓偉等，2014；李玉宏等，2018）。放射性資料的綜合研究顯示，從這些巖體橫向延伸方向來看（圖7），各巖體Th含量普遍高于平均上地殼豐度（10.5×10-6，Rudnick et al.，2003），且Th含量變化大，印支期侵入體Th含量明顯高于燕山期侵入體，以寶雞巖體和老牛山巖體為代表；除了翠華山巖體和藍(lán)田巖體個別樣品U含量達(dá)到20×10-6～40×10-6以外，其余樣品U含量（<7×10-6，均值3.7×10-6）略高于平均上地殼（2.7×10-6，Rudnick et al.，2003）。從已調(diào)查過的巖體縱向剖面上看（圖7），能得出與橫向上相似的認(rèn)識。綜上所述，從區(qū)域上來看，渭河盆地南緣花崗巖中放射性元素含量變化不一，Th含量變化大于U含量，但高于平均上地殼對應(yīng)值。

根據(jù)Brown（2010）提出的U、Th元素生氦公式，計算得出渭河盆地南緣花崗巖體的單位質(zhì)量生氦量為4×10-5～1×10-3cm3/g·a，普遍高于世界平均花崗巖的生氦量，個別達(dá)到了有機質(zhì)頁巖理論值（圖8）。渭河盆地南緣這些花崗巖基體積大，按照氦氣弱源成藏理論，具有巨大的生氦潛力。根據(jù)放射性衰變，不同學(xué)者對渭河盆地內(nèi)氦氣資源量作出了估算，但是差異巨大，從幾億m3到上千億m3不等（張福禮等，2012；張雪，2015；張文等，2018；黃建軍等，2021）。一方面，在計算花崗巖理論氦氣資源量和釋放資源量時，花崗巖體的體積是首先要解決的一個難點；另一方面，從渭河盆地油氣井和地?zé)峋泻夂糠植紒砜矗璧夭煌课缓ず匡@示有很大差異，因而關(guān)于排氦時間、氦氣運聚系數(shù)等參數(shù)亟需開展進一步研究。此外，在計算氦氣資源量時往往只關(guān)注燕山期相對富U巖體的貢獻，忽略了印支期相對富Th巖體。而以渭河盆地南緣花崗巖的單位質(zhì)量生氦量中位數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，印支期巖體的值（2.16×10-4）是燕山期（1.29×10-4）的1.7倍左右。因此，在計算渭河盆地南緣花崗巖生成氦資源量的同時，印支期巖體的生氦潛力也值得進一步關(guān)注。

圖7 渭河盆地南緣花崗巖體橫向與縱向放射性元素豐度變化圖Fig.7 The horizontal, vertical Th and U variation of the granites from the southern margin of Weihe basin

圖8 渭河盆地南緣花崗巖單位質(zhì)量生氦量圖（據(jù)Brown，2010修改）Fig.8 He generation per unit mass of granites in the southern margin of Weihe basin

6 結(jié)論

（1）華山復(fù)式巖體樣品中放射性U、Th元素主要賦存于副礦物中，以鋯石、榍石、磷灰石為主要礦物組合；除此之外，印支期侵入體還含有少量釷石，而燕山期侵入體則有褐簾石普遍出現(xiàn)及少量鈾獨立礦物（Nb-Ta-U礦物）產(chǎn)出。這些副礦物多呈半自形-自形產(chǎn)出，主要存在于巖石主要礦物（石英、長石、黑云母、角閃石）中及顆粒間。

（2）燕山期侵入體中Th含量主要受控于鋯石，U含量由鋯石和褐簾石聯(lián)合制約；而印支期侵入體中Th、U含量主要受控于鋯石、榍石及少量釷石?；滋A群不均一成分及其部分熔融程度是樣品中放射性U、Th元素含量的根本制約因素。

（3）綜合區(qū)域放射性資料，渭河盆地南緣花崗巖中U、Th含量均高于平均上地殼對應(yīng)值。其中，燕山期和印支期巖體具有近似的U含量，而印支期巖體比燕山期巖體明顯富集Th。按照氦氣弱源成藏理論，這些花崗巖體具有巨大的生氦潛力。其中，印支期巖體的生氦潛力值得進一步關(guān)注。

致謝：本次研究中的電子探針分析得到了中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心自然資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室電子探針實驗室周寧超工程師的幫助；匿名評審專家和編輯老師提出了寶貴的建議和意見，在此一并感謝。